軟磁材料介紹

1、第二章 軟磁材料,定義：能夠迅速響應(yīng)外磁場的變化，且能低損耗地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。 特點(diǎn)：既容易受外加磁場磁化，又容易退磁。,*對軟磁材料的基本要求有： （1）初始磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率max要高； （2）矯頑力Hc要??； （3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS要高； （4）功率損耗P要低; （5）高的穩(wěn)定性。,*主要的軟磁材料： （1）合金如硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙臺斯特合金（Fe-Si-Al）； （2）軟磁鐵氧體Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等； （3）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。,*發(fā)展史： （1）鐵氧體問世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信各領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：其MS遠(yuǎn)高

2、于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機(jī)等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點(diǎn)：渦流損耗限制了其在高頻段的應(yīng)用。 （2）20世紀(jì)40年代開始，軟磁鐵氧體由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)生產(chǎn)。 50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨(dú)占鰲頭。,（3）1970年，F(xiàn)e-Ni-B非晶態(tài)合金研制成功， 1988年，F(xiàn)e-Ni-B-Nb-Cu納米微晶軟磁材料問世， 90年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵 氧體的新的競爭對手。 優(yōu)點(diǎn)：性能上遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體；缺點(diǎn)：性價比上尚處于劣勢。,2.1 衡量軟磁材料的重要指標(biāo),1、起始磁導(dǎo)率,主要因素： 基本上不隨加工條件和應(yīng)用情況變化。,次要因素： 會隨加工條件和應(yīng)用情況而變

3、化。,2、矯頑力HC,量級：10-1A/m 102A/m,*材料內(nèi)部應(yīng)力起伏和雜質(zhì)的含量與分布是影響HC的主要因素。,*降低HC的方法與提高i的方法相一致。,3、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS,*高的MS 高的i值；節(jié)省資源，實(shí)現(xiàn)器件的小型化,*提高M(jìn)S的方法：選擇適當(dāng)?shù)呐浞匠煞郑珜?shí)際上MS值一般不可能有很大的變動。,4、磁損耗,*軟磁材料多用于交流磁場，因此動態(tài)磁化造成的磁損耗不可忽視。,5、穩(wěn)定性,*高穩(wěn)定性是指磁導(dǎo)率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，隨時間的老化要盡可能地小，以保證其長壽命工作于太空、海底、地下和其他惡劣環(huán)境。,*影響軟磁材料穩(wěn)定工作的因素： 低溫、潮濕、電磁場、機(jī)械負(fù)荷、電離輻射等,2

4、.2 提高起始磁導(dǎo)率的途徑,必要條件：提高M(jìn)S并降低K1、S的值,充分條件：降低雜質(zhì)濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力和氣孔的影響。,1、提高M(jìn)S,*選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動不大。,*選擇配方時更要考慮K1、S對i的作用。,*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS雖然較高，但其K1和S值太大，因而不宜作為配方的基本成分。,2、降低K1和S,*提高i 的最有效方法從配方和工藝上使K1 0、S 0,*鐵氧體軟磁材料：配方時選擇K1和S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正負(fù)K1、S補(bǔ)償或添加非磁性金屬離子

5、沖淡磁性離子間的耦合作用。,*例：Fe-Ni合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ni81%時，S0；Ni76%時， K10；Ni78.5%Fe-Ni合金經(jīng)過熱處理后，i可達(dá)104,*選擇適當(dāng)合金成分和熱處理?xiàng)l件可以控制K1和S在較低值,3、改善材料的顯微結(jié)構(gòu),*材料的顯微結(jié)構(gòu)是指結(jié)晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性、織構(gòu)等)、晶界狀態(tài)、雜質(zhì)和氣孔的大小與分布等。,*雜質(zhì)、氣孔的含量與分布是影響i的重要因素。 降低雜質(zhì)、氣孔的方法：原材料、燒結(jié)溫度及熱處理?xiàng)l件的選擇,*平均晶粒尺寸對i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。 例：MnZn鐵氧體尺寸5m以下時，i500；尺寸在5m以上時，i3000

6、,*晶粒尺寸長大的方法：適當(dāng)提高燒結(jié)溫度，但溫度過高，便會形成氣孔，導(dǎo)致i下降。,*材料的織構(gòu)化，包括結(jié)晶織構(gòu)和磁疇織構(gòu)，都可提高i,4、降低內(nèi)應(yīng)力,*根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的不同來源，可采用不同的方法：,(1) 磁致伸縮引起的內(nèi)應(yīng)力，與S成正比，可通過降低S來 減小此應(yīng)力。 (2) 燒結(jié)后冷卻速度太快，會造成晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力?？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖?yīng)力。 (3) 氣孔、雜質(zhì)、晶格缺陷等因素在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力?？赏ㄟ^原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴(yán)格控制來消除。,2.3 金屬軟磁材料,2.3.1 電工純鐵,*純度在99.8%以上的鐵，不含任何故意添加的合金化元素。,*制備方法：平爐冶煉時，首先用氧化渣除

7、去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時在鋼包中添加脫氧劑獲得。經(jīng)過退火熱處理 i（300500）, max（600012000）, HC（39.895.5）,*含碳量是影響磁性能的主要因素。 除碳方法：高溫用H2處理除碳，以消除鐵中碳對疇壁移動的阻礙作用。,*電工純鐵存在時效現(xiàn)象 原因：高溫時鐵固溶體內(nèi)溶解有較多的碳或氮，產(chǎn)品快速冷卻到室溫時，溶解度減小，F(xiàn)e3C或Fe4N由固溶體中以細(xì)微彌散形式析出，從而HC增加，i降低。,消除方法：保溫后，采用緩慢冷卻到100-300的退火措施，這樣在650-300之間Fe3C有足夠的時間析出、長大為對磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。,*應(yīng)用：

8、電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應(yīng)式和電磁式測量儀表的各種零件，揚(yáng)聲器的各種磁路，電話中的振動膜、磁屏蔽，電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極，冶金原料等。,2.3.2 硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）,*在純鐵中加入少量硅，形成固溶體，這樣提高了合金電阻率，減少了材料的渦流損耗。,*缺點(diǎn)：電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作時渦流損耗大。,*碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02以下，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5-4.5。常溫下，Si在Fe中的固溶度大約為15，但Fe-Si系合金隨Si含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質(zhì)量百分含量5為一般硅鋼制品的上限。,*隨硅含量的增加，不足之處在于：BS和TC降低；

9、好處：K1 和S 降低 i增加，HC降低，增加降低鐵損,*按照材料的生產(chǎn)方法、結(jié)晶織構(gòu)和磁性能，電工用硅鋼片可分為：熱軋非織構(gòu)(無取向)、冷軋非織構(gòu)(無取向)、冷軋高斯織構(gòu)(單取向)、冷軋立方織構(gòu)(雙取向)的硅鋼片。,*例：高斯織構(gòu)符號(110)001；立方織構(gòu)符號(100)001。,*電工硅鋼片制造工藝：熱軋和冷軋兩種，以在結(jié)晶溫度為區(qū)分點(diǎn)。,*應(yīng)用：電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、電磁機(jī)構(gòu)、繼電器電子器件及測量儀表中。,2.3.3 坡莫合金,*1913年被開發(fā)出來，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30-90的鎳鐵合金。,*優(yōu)點(diǎn)：很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)，延展性好，低的

10、損耗。,*缺點(diǎn)：BS低，Ni是高價金屬。,*Ni：7583%范圍時，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時BS較低。,*應(yīng)用：可用作在弱磁場下具有很高的鐵芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁導(dǎo)率的脈沖變壓器材料；還可用作各種磁致伸縮合金、熱磁合金、矩磁合金等。,2.3.4 其它軟磁合金,*應(yīng)用：由于價格優(yōu)勢，常用作Fe-Ni合金的替代品。,1、鐵鋁合金,*優(yōu)點(diǎn)：價格低；通過調(diào)解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料；合金具有較高的電阻率；具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對應(yīng)力不敏感，適于在沖擊、振動等環(huán)境下工作；較好的溫度穩(wěn)定性；抗核輻射性能好。,2、鐵硅鋁合金

11、,*1932年在日本仙臺被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺斯特合金，成分為Fe9.6Si5.4Al。該成分時， K1和S幾乎同時趨于零，且具有高和低HC。不需要高價的Co和Ni，且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料比較理想。,*應(yīng)用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料、電話受話器的振動膜片，磁致伸縮材料。,3、鐵鈷合金,*優(yōu)點(diǎn)：高的MS； Co50，同時有高的MS， i，max,*缺點(diǎn)：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；Co價格貴,2.4 鐵氧體軟磁材料,*最早由荷蘭菲利普實(shí)驗(yàn)室Snock于1935年研制成功。其磁性來源于亞鐵磁性，故MS較金屬低，但比金屬的要高很多，因此具有

12、良好的高頻特性。,*軟磁鐵氧體材料的特性要求（四高）：高i，高品質(zhì)因數(shù)Q，高（時間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率fr。,*除基本要求外，對應(yīng)不同的應(yīng)用場合還有不同的特殊要求。 比如電波吸收材料希望在工作頻率范圍內(nèi)損耗越大越好。,*按晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：,*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的mMnFe2O4nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。,*低頻段應(yīng)用極廣（500kHz以下），優(yōu)點(diǎn)：磁滯損耗低，相同磁導(dǎo)率情況下居里溫度較NiZn高，i高(可達(dá)4104 1105)，價格低廉。,*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，1100MHz。1MHz以下時，其性能不如MnZn鐵氧體，而在1MHz以上時，優(yōu)

13、于MnZn鐵氧體，因它具有多孔性及高電阻率。,*特點(diǎn)：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；Ni價格高，小于30MHz時，可用MgZn鐵氧體替代（性能稍差）。,*立方晶系鐵氧體的使用頻率：數(shù)百兆赫之下； 平面型六角晶系鐵氧體：在i值相同的情況下，fr較立方晶系高510倍。,* 從應(yīng)用角度軟磁鐵氧體大致可分為： （1）高磁導(dǎo)率材料， i 104； （2）低損耗、高穩(wěn)定性材料，高Q值，低DF值； （3）高頻、大磁場用的材料； （4）高飽和Bs低功耗材料（功率鐵氧體）； （5）甚高頻六角鐵氧體； （6）其他鐵氧體：如溫感、濕感、電波吸收、電極等材料。,2.5 納米晶軟磁材料,*特征： （1）

14、短程有序，長程無序； （2）不存在位錯和晶界，具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力； （3）電阻率比同種晶態(tài)材料高，適用高頻(渦流損耗小)； （4）體系自由能高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加熱時有結(jié)晶化傾向； （5）機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高； （6）抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，抗射線及中子等輻射能力強(qiáng)。,2.5.1 非晶態(tài)軟磁材料(具有優(yōu)良的綜合磁性能),一、非晶態(tài)軟磁材料的結(jié)構(gòu)和性能,*目前已達(dá)到實(shí)用化的非晶軟磁材料的分類： 1) 3d過渡金屬(T)非金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；非金屬為B，C，Si、P等。 鐵基：BS較高；鐵鎳基：磁導(dǎo)率較高；鈷基：適宜作為高頻開關(guān)電源變壓器。 2) 3d過渡金屬(T)金屬系。金屬為Ti，

15、Zr，Nb，Ta等。 3) 過渡金屬(T)稀土類金屬(RE)系。其中T為Fe，Co；RE為Gd，Tb，Dy，Nd等。,二、制備與應(yīng)用,非晶態(tài)：結(jié)晶化前的中間狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)。冷卻速度足夠快且冷至足夠低的溫度，以致原子來不及形核結(jié)晶便凝固下來。,制備方法： 1、氣相沉積法 晶態(tài)材料原子（離解）氣相（無規(guī)沉積）到低溫冷卻基體上形成非晶態(tài) 此類技術(shù)主要有：真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學(xué)沉積等,2、液相急冷法（大多采用此法） 熔融合金（用加壓惰性氣體）液態(tài)合金從石英噴嘴中噴出形成均勻的熔融金屬細(xì)流連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥表面液態(tài)合金以106108K/S高速冷卻形成非晶態(tài),3、高能粒子注入 采用大功率高能粒子輸入加熱晶態(tài)材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶態(tài)。 高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄層非晶材料，常用于改善表面特性。,*鐵基非晶帶的損耗僅為傳統(tǒng)Fe-Si合金的1/3，但由于成本較高，目前尚難以大量取代傳統(tǒng)的材料，但在高功率脈沖變壓器、航空變壓器、開關(guān)電源等方面已獲得應(yīng)用。 鈷基和鐵鎳基非晶：防盜標(biāo)簽（圖書館、超市）,2.5.2 納米晶軟磁材料,1988年，日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過晶化處理開